（凝聚态物理专业论文）光伏系统优化设计与新型太阳能电动车的研制.pdf

理工学院硬士论文：光伏系统优化设计与新型太阳能电动车的研制 光伏系统优化设计与新型太阳能电动车的研制 凝聚态物理 硕士生：邓涛 指导教师：沈辉教授 摘要 近年来，太阳能光伏发电技术在国内外得到广泛的应用和快速的发展。其 中，光伏系统的设计、评估与应用十分重要：光伏系统设计的优劣决定着光伏 系统建成后运行的好坏；对光伏系统进行有效、科学的评估可以清楚地了解光 伏系统的各方面性能，积累数据；而光伏系统的应用对推广光伏发电来说是必 要的。本论文的主要工作就是围绕着太阳能光伏系统设计、评估和应用进行的。 本文可以分为理论部分和实验部分。 第一部分为理论基础部分。首先论述了光伏系统设计的原则和流程，对目 前光伏领域的热点问题光伏建筑一体化工程在设计中需要考虑的因素给出 总结和分析；通过实测数据的采集和软件模拟，对自己设计的小型光伏系统进 行分析和评估，有效评价了光伏组件的发电量，得出的结论有助于评估其他类 似的大型光伏系统；在国内首次详细地对光伏系统的经济效益分析进行理论说 明以及案例解析，将国外生命周期成本的方法引入。国内在光伏系统设计和评 估方面，尤其是经济性评估方面一直没有完整的理论基础，本部分的工作一定 程度上弥补了这一空白。 第二部分为实验部分，本部分论述了作者硕士期间的主要工作研制开 发一台新型太阳能电动车并对其进行评估，详细说明其设计原理、创新点、评 估方法、结果以及太阳能电动车未来的发展趋势。提出在电动车每天运行6 0 7 0 公里的情况下，太阳能发电占3 0 以上的设计目标。针对国内同类产品的不 足，首次采用太阳电池组件与车体一体化的设计理念，使得两者更好地结合； 首次采用的顶部双层抽屉式结构( 已申请专利) 有效增加了太阳电池组件数量、 理工学院硕士论文：光伏系统优化设计与新型太阳能电动车的研制 提高了太阳能发电的比例；设计并制作的透明高效太阳电池组件增加了美观性 以及组件的发电效率；通过各种评估手段和方法分析太阳能电动车的运行效果， 得出相关结论，并达到设计前提出的目标。研制的新型太阳能电动车采用了较 多的新理念、方法和手段，是至今为止国内在该领域的重要探索和创新。 最后，本文论述了太阳能电动车的发展趋势和前景。指出随着电动车技术 和光伏技术的发展，通过合理的设计，太阳能电动车最终会得到广泛的应用。 分析 关键词：光伏系统；设计和评估；太阳能电动车；一体化设计；经济效益 理工学院硕士论文：光伏系统优化设计与新型太阳能电动车的研制 o p t i m i z a t i o nd e s i g no fp h o t o v o l t a i cs y s t e m sa n dm a n u f a c t u r eo f n e ws o l a re l e c t r i cc a r c o n d e n s e ds t a t ep h y s i c s n a m e ：d e n gt a o s u p e r v i s o r ：p r o f e s s o rs h e nh u i a b s t r a c t p h o t o v o l t a i c ( p v ) t e c h n o l o g yi sw i l d l yu s e da n dd e v e l o p i n gf a s ti nb o t hc h i n aa n d o v e r s e ar e c e n t l y t h ed e s i g n ，e v a l u a t i o na n da p p l i c a t i o no fp vs y s t e m sa r e e x t r e m e l yc r i t i c a l ：t h ee f f e c to fp vs y s t e m sd e s i g ni n f l u e n c e st h eo p e r a t i o n a le f f e c t o ft h eb u i l ts y s t e m s ；e f f e c t i v ea n de f f i c i e n te v a l u a t i o no fp vs y s t e m sc a nm a k eu s k n o wc l e a r i yt h ea l l r o u n dp e r f o r m a n c eo ft h es y s t e m sa n da c c u m u l a t eu s e f u ld a t a ； a p p l i c a t i o no fp vs y s t e mi sn e c e s s a r yf o rt h ep r o m o t i o no fp v t h et h e s i sj u s t m a i n l yc o n c e n t r a t e so nt h ed e s i g n ，e v a l u a t i o na n da p p l i c a t i o no fp vs y s t e m ，a n dc a n b ed i v i d e di n t ot h e o r e t i c a la n de x p e r i m e n t a lp a r t t h ef l u s t ，p a r ti st h e o r e t i c a lp a r t i td e s c r i b e st h ep r i n c i p l ea n dp r o c e d u r eo fp v d e s i g n ，s u m m a r i e sa n da n a l y z e st h ef a c t o r sw h i c hs h o u l db et o o ki n t oc o n s i d e r a t i o n i nb u i l d i n gi n t e g r a t e dp h o t o v o l t a i c ( b i p d e s i g n a tt h i sp a r t ，t h ea u t h o ra n a l y z e d a n da s s e s s e das m a l lp vs y s t e md e s i g n e db yh i m s e l fa n dc a m eu pw i t hr e l a t i v e c o n c l u s i o n sw h i c hw o u l db eu s e f u lf o ro t h e rp vs y s t e m sd e s i g n f u r t h e rm o r e ，i t f i r e f l ys h o w sad e t a i l e dt h e o r ya n ds t u d yc a s ea b o u te c o n o m i ca n a l y s i so fp vs y s t e m ， i n t r o d u c e st h em e t h o do fl i f ec y c l ec o s t ( l l c ) t h ea b o v ej o bo f f s e t st h el a c ko f c o m p l e t et h e o r yo np vs y s t e m sd e s i g na n da s s e s s m e n ti nc h i n a ，e s p e c i a l l yt h e e c o n o m i ca n a l y s i s t h es e c o n dp a r ti se x p e r i m e n t a lp a r t f i r s t ，i td e s c r i b e san e ws o l a re l e c t r i cc a rt h a ti s d e s i g n e db yt h ea u t h o r , g i v e s ad e t a i l e d e x p l a n a t i o n o ft h ed e s i g n p r i n c i p l e ， e v a l u a t i o nm e t h o d ，r e s u l ta n dd e v e l o p i n gt r e n d i tc o m e su pw i t ht h ea i m ：w h e nt h e c a rm n6 0 7 0 k i np e rd a y , t h er a t i oo fp vs h o u l dr e a c h3 0 a c c o r d i n gt ot h e 1 i i 理工学院硕士论文：光伏系统优化设计与新型太阳能电动车的研制 d i s a d v a n t a g e so ft h es i m i l a rp r o d u c t si nc h i n a ，i n t e g r a t i n gd e s i g ni d e ai si n i t i a l l y u s e dt om a k eab e t t e rc o m b i n a t i o no ft h es 0 1 a rm o d u l e sa n dt h ee l e c t r i cc a ld o u b l e l a y e rs t r u c t u r e ( p a t e n t e d ) w h i c hi sf i r s t l yu s e de f f e c t i v e l yi n c r e a s e st h et o t a lp o w e r o fs o l a rc e l l sa n dt h er a t i oo fs o l a re n e r g y w h a t sm o r e ，m a n yk i n d so fe v a l u a t i o n m e t h o d sa r eu s e dt oa s s e s st h ep e r f o r m a n c eo ft h ec a ra n dc o m et os o m ec o n c l u s i o n s t h en e ws o l a re l e c t r i cc a r , w h i c hw a sm a d eb ys o m en e wi d e a sa n da n a l y z e db y c o m p r e h e n s i v em e t h o d i sa ni m p o r t a n ts t u d y o nt h i sa r e ai nc h i n at i hn o w f i n a l l y , t h et h e s i si n t r o d u c e st h ed e v e l o p i n gt r e n da n dp e r s p e c t i v eo fs o l a re l e c t r i c c a r , a n df o r e c a s t st h es o l a re l e c t r i cc a rw i l lb ew i l d l yu s e dw i t ht h ed e v e l o p m e n to f p va n de l e c t r i cc a rt e c h n o l o g y k e y w o r d s ：p vs y s t e m s ；d e s i g na n de v a l u a t i o n ；s o l a re l e c t r i cc a r ；i n t e g r a t i n g d e s i g ne c o n o m i ce f f e c ta n a l y s i s i v 理工学院硕士论文：光伏系统优化设计与新型太阳能电动车的研制 第1 章绪论 面对世界能源与环境危机的加剧，大力发展洁净、可再生能源成为世界各 国能源发展的战略。因此，开发洁净、可再生清洁能源己成为二十一世纪世界 经济发展中最具决定性影响的五项技术领域之一。太阳能是地球上的清洁可再 生能源，充分开发利用太阳能是世界各国政府可持续发展的能源战略决策，其 中阳光发电备受瞩目。利用太阳能发电远期将大规模应用，近期可解决特殊应 用领域的需要“。1 。全球能源专家们预测，到2 0 3 0 年光伏发电在世界总发电量 中将占到5 - 2 0 。进入9 0 年代后，随着常规发电方式成本的上升和人们对环 境保护的日益重视，世界各国都投入了巨资来研究太阳能光电转换技术，一些 国家纷纷实施、推广太阳能屋顶计划，如美国“百万屋顶计划”( 1 9 9 7 2 0 1 0 年) 、 德国提出1 0 万太阳屋顶计划( 1 9 9 8 2 0 0 3 ) 、日本“阳光屋顶计划”等等。在世 界范围内，太阳能光热、光电利用已经形成了新兴产业，而且方兴未艾。在太 阳电池研究和产业方面，欧美、日本、澳大利亚等发达国家领先，在发展中国 家印度的光电利用像软件产业一样值得称道。尤其值得注意的是像英国石油 ( b p ) 这样的一些国际著名石油公司也大规模地加大对太阳电池产业的投资。1 。 多年来，我国政府也非常重视太阳能等可再生洁净能源的利用，在西部地 区通过光明工程、乡乡通等一系列行动推广太阳能利用，解决了无电地区的用 电问题。随着我国的经济高速发展，缺电、燃料供应紧张目益困扰我国的经济。 我国政府正在新能源利用方面推出一系列新的举措，如已经出台的“中华人 民共和国可再生能源法”、国家“十五”攻关、国家8 6 3 等重大、重点项目都加 大了太阳能研究的投入力度。 2 0 0 4 年3 月2 6 日，国家总理温家宝特地视察了我国最大的太阳电池生产 厂无锡尚德太阳能电力有限公司。温总理指出，在可再生能源中，太阳能 发电的技术含量最高、最有发展前途。希望无锡尚德加快培育发展光伏产业链， 促进我国太阳能技术的发展，提高国际竞争能力。 太阳能等可再生能源作为我国后续战略能源得，到了高度的重视。随着我 国能源政策的调整，太阳能光电行业面临一个前所未有好的发展机遇。上海、 无锡、广州、深圳、宁波、保定等地都将太阳电池的生产、应用作为一个重点 理工学院硕士论文：光伏系统优化设计与新型太阳能电动车的研制 高技术产业加速发展。可以预计，太阳能产业将如信息产业一样在本世纪得到 惊人的发展。 一 1 , 1 光伏发电系统的构成和基本原理 太阳能光伏系统的规模和应用形式各异，如系统规模跨度很大，小到1 2 w 的太阳能灯，大到兆瓦级的太阳能光伏电站，其应用形式也多种多样，在家用、 交通、通讯、空间应用等诸多领域都能得到广泛的应用，但是其组成结构和工 作原理基本相同。 图1 - 1 太阳能光伏应用的各种形式 图1 2 太阳能光伏系统结构图 一般说来，一个完整的太阳能光伏系统包括如下主要组成部件：光伏组件、 控制器、逆变器( 交流负载) 、蓄电池以及其他的相关的电力器件如电缆、交直 流控制柜等8 1 。 2 理工学院硕士论文：光伏系统优化设计与新型太阳能电动车的研制 上图是一个典型的供应直流负载的太阳能光伏系统图。其中包含了太阳能 光伏系统中的几个主要部件： p v 方阵由光伏组件按照系统需求串并联而成，在太阳光照下将太阳能 转换成电能输出，它是光伏系统的产能部件。 蓄电池它将p v 方阵产生的电能储存起来，当光照不足或者负载需要 的电能大于太阳电池发出的电量时，将储存的电能释放以满足负载的能量 需求，它是光伏系统的储能部件。目前在太阳能光伏系统常用的蓄电池是 铅酸蓄电池，对于较高要求的系统通常采用的是深放电阀控式密封铅酸蓄 电池，深放电吸液式铅酸蓄电池等。 控制器它对蓄电池的充、放电条件加以规定和控制以及按照负载的电 源需求控制光伏阵列以及蓄电池对负载的电能输出，是整个系统的控制部 分。目前随着光伏产业的发展，控制器的功能越来越强大，有将传统的控 制部分、逆变器以及监测系统集成的趋势，如a e s 公司的s p p 和s m d 系 列的控制器就集成了上述三种功能。 逆变器在光伏发电系统中，如果使用的负载含有交流负载，那么还要 使用逆变器设备，将光伏电池板产生的直流电或者蓄电池释放的直流电转 化为负载需要的交流电。 太阳能光伏供电系统的基本工作原理就是太阳能光伏阵列产生的电能通过 控制器的控制给蓄电池充电或者在满足负载需求的情况下直接给负载供电，如 果日照不足或者是在夜间则由蓄电池在控制器的控制下给直流负载供电，对于 含有交流负载的光伏而言，系统还需要增加逆变器将直流电转换成交流电。 太阳能光伏系统的应用具有多种形式，但是其基本原理大同小异都如上所 述。对于其他类型的光伏系统只是在控制机理和系统部件上根据实际的需要有 所不同。 1 2 光伏产业情况及其趋势 从应用规模上讲，对于大型的光伏电站而言，有规模越来越大的趋势，因 为规模越大越能产生规模效益，降低单位发电成本。光伏阵列的峰值功率规模 都在兆瓦级，如德国的慕尼黑国际展览中心的光伏工程，系统规模为2 m w ，荷 理工学院硕士论文：光伏系统优化设计与新型太阳能电动车的研制 兰阿姆士特丹的园艺展览会光伏工程，光伏阵列的峰值功率达到2 3 m w 。对于 一般的电器应用，如家电产品的应用，则朝着小型便携的方向发展。太阳电池 用于计算器、手表的供电已有很多年的历史，手提式太阳能组件的出现又加宽 了太阳能光伏在便携式电器中使用的范畴，如收音机、c d 播放器、便携式电 脑、手机充电器、照相机以及供应急与野营者使用的太阳能手提灯等。 从应用形式上讲，并网发电系统，尤其是与建筑结合的并网发电系统，是 将来光伏发展的主要方向。9 0 年代后，随着常规发电方式成本上升和人们对环 境保护的日益重视，一些国家纷纷实施推广太阳能屋顶计划，进一步提出了“建 筑物产生能源”的新概念“。1 。光伏发电与建筑物集成化成为热门课题，并在政 府的支持下得到了长足的发展。如日本从1 9 9 4 年即开始推广民用住宅屋顶光伏 工程，从1 9 9 4 1 9 9 9 年的6 年间累计实施3 3 万件，功率共计1 2 1 m w p 。美国 太阳能百万屋顶计；t 1 ( m i l l i o ns o l a r r o o f si n i t i a t i v e ) ，准备在2 0 1 0 年以前，在1 0 0 万座建筑物上安装太阳能系统，光伏系统总安装容量达3 0 2 5 m w 。欧盟各国也 有相应的发展计划，如德国的1 0 万屋顶计划等。光伏并网发电增长的速度越来 越快，在整个光伏工业中所占的比例也越来越高。 从应用地域来讲，传统的光伏应用主要是在偏远无电地区，以解决无电地 区的用电问题，比如，偏远山村的照明用电，游牧民的用电以及一些远离电网 的通讯基站供电，太阳能水泵等。但是随着并网发电，尤其是与建筑结合的并 网发电系统的迅速发展，光伏发电进入城市开始了大规模应用的新阶段，并已 经得到飞速的发展”3 。太阳能光伏产业发达国家如日本，欧洲和美国的光伏产 业发展的历程来已经说明了这一点。而且我们要认识到只有在发达地区，尤其 是在城市中大面积推广使用光伏发电系统才能够真正的促进光伏产业的发展。 1 3 硕士论文的主要工作 本文的研究主要集中在光伏系统的设计、分析、评估以及应用方面。通过 理论分析、实验以及案例分析给出光伏系统设计和评估的方法和结论，通过制 作、设计新型太阳能电动车并对其运行和性能进行详细的评估得出相应的数据 和结果。具体如下： 1 、研究了太阳能光伏系统的设计和评估的方法。包括典型光伏系统的设计和评 理工学院硕士论文：光伏系统优化设计与新型太阳能电动车的研制 估的基本原则、光伏建筑一体化系统设计原则以及光伏系统的经济性评估原则 等。通过详细的案例解析说明了如何对几种典型光伏系统进行生命周期成本分 析，通过对光伏系统进行数据采集得到评估系统的参照数据。 2 、新型太阳能电动车的设计和制作。包括特殊高效半透明组件的制作，太阳电 池组件与电动车车身的一体化设计，电动车顶部特殊结构( 顶部双层抽屉式结 构) 的设计，电机、蓄电池、控制器的选择，充放电维护等方面。通过各个方 面的综合考虑和优化设计，实现该太阳能电动车每天运行6 0 - - 7 0 公里的情况 下，太阳能发电占3 0 以上的设计目标。 3 、对太阳能电动车性能的详细评估。包括使用专业光伏设计软件进行评估，通 过实测数据评估以及通过经验数据评估，分析评估的数据和结果来评价太阳电 池组件和电动车的性能。 4 、太阳能电动车前景和未来发展趋势。 理工学院硕士论文：光伏系统优化设计与新型太阳能电动车的研制 第2 章太阳能光伏系统优化设计与技术、经济评估 2 1 光伏系统的设计和评估的重要性 随着最近几年能源危机和环境问题的日益严重，太阳能、风能为代表的可 再生能源的应用越来越受到人们的重视，许多相关的项目和政策措施相应而生， 如中国的“光明工程项目”、世行以及全球环境基金的“r e d p 项目”、日本的“新 阳光计划”等。1 9 9 8 年具有重大影响力的京都协定的签订促使许多发达国家要 完成一定数量的c o z 减排，也直接促进了太阳能等可再生能源的开发和利用。最 近5 年全世界太阳电池的产量的年平均增幅超过3 0 ，2 0 0 3 年太阳电池产量超 过7 4 0 m w ，2 0 0 4 年超过1 2 0 0 m w ，2 0 0 5 年更是超过1 8 0 0 m w 。当今太阳能光伏发 电应用的趋势是从应用产品的相对单一化到多元化和功能化，从小规模的应用 到大规模的应用，从独立系统到并网系统，从单纯的实用性到尽量与艺相术性 结合。可以说，太阳能正处于从代替能源走向常规能源的过渡时期。 在太阳能光电应用的过程中，其中至关重要的一点就是光伏系统的设计和 测试评估问题。一个系统运行的稳定性、发电量、工作时间和工作模式、经济 性等重要指标基本上都取决于最初的系统设计，而对光伏系统进行测试评估一 方面可以得到有用的反馈信息，另一方面客观综合地评定系统设计的优劣，从 而进一步改善系统和优化设计。3 。下面从一些数据和例子“”3 说明光伏系统设计 和测试评估的重要性： ( 1 ) 盏1 1 w 的节能灯配备3 0 w 的太阳电池组件和3 4 a h 1 2 v 的铅酸蓄电池， 夏天每天晚上可以工作1 2 小时( 广州地区) ，冬天每天晚上可以工作7 小时；但是冬季夜晚的时间长，若要整个晚上都工作的话就应该加大太 阳电池组件的容量同时采取节能模式( p w m 输出等) 。 ( 2 ) 美国s a n t ar i t a 大型光伏系统一期工程完成以后通过对系统进行数据采 集和测试评估，决定进行优化和扩容，扩容以后系统的配置更加合理， 经济效益更加明显。 ( 3 ) 美国亚历桑那的a r m yy u m ap r o v i n gg r o u n d 的9 0 0 k w 并网光伏电站设计 理工学院硕士论文：光伏系统优化设计与新型太阳能电动车的研制 的时候就决定使用主一从一从逆变器的工作模式，太阳电池采取最佳倾 角安装并带有最大功率跟踪( m p p t ) 装置，采取这些措施以后发电量提 高了3 5 ，而成本只提高了1 0 。 ( 4 ) 根据大量的实测数据表明，在弱光的环境下使用非晶硅太阳电池组件比 使用晶体硅太阳电池组件具有更加好的工作性能和经济效益，这给光伏 建筑一体化( b i p v ) 中太阳能幕墙的设计提供了新的思想。 以上这些例子均表明光伏系统合理设计和测试评估的重要性，因此非常有 必要在这一方面深入。 太阳能光伏系统的设计需要考虑的因素很多，而这些因素之间又相互影响 着。比如说“，要求独立系统的负载断电率小，一般来说系统的太阳电池组件 的数目和蓄电池的容量就要多，初期投资就要大，这就要求光伏系统设计者在 这两者之间取得平衡关系，能够最大限度满足负载断电率和经济性的要求。 在众多的影响因素中，有些是主要的，对设计的好坏有着直接的影响，而 有些相对次要，设计者应该首先充分考虑主要的因素，确定了系统的基本框架 以后，再去考虑次要的枝节o “。 国外的光伏工作者对光伏系统设计非常重视，这也是国外光伏系统工程效 率高、性能相对优越、维护工作相对较小的主要因素之一 5 - - 1 6 1 。德国、日本、 美国、西班牙、意大利等光伏强国在进行光伏系统设计时，会充分考虑每个系 统的独立性和特性，根据具体的需要进行全新的设计，而不是仅仅依赖直观的 判断和经验。他们使用光伏系统设计软件，结合实际情况以及以往的数据库， 综合多种因素进行设计，并在设计后及时评估系统的运行情况从而调整和优化。 以下着重讲述进行光伏系统设计和评估的思路和原则，同时也阐述了一些 在系统设计的时候容易被忽略而又比较重要的问题，但没有过多地涉及具体的 技术细节。目的是理清设计思路和重点，抓住主线，这样系统设计将不会出现 大的偏差。如果在光伏系统设计的开始阶段不采用系统论的方法从总体来考虑 问题，而是纠缠于某一技术要点，很可能会出现偏差，影响了系统的使用效果 和经济效果。 理工学院硕士论文：光伏系统优化设计与新型太阳能电动车的研制 2 2 光伏系统设计的基本原则和流程 一般来说，光伏发电系统设计的总体原则是，在保证满足负载供电需要的 前提下，使得系统的经济性最好”。系统的设计应该充分围绕这一原则进行。 当然也有例外，比如一些示范工程，为了牺牲一些电池效率而达到外形的新颖 和美观，如玻璃幕墙太阳电池组件等，像这种工程需要令当别论。 光伏系统设计可以划分为软件设计和硬件设计，一般软件设计先于硬件设 计。软件设计包括：对负载的调查和负载用电量的估算，太阳电池方阵面辐射 量的计算，太阳电池组件、蓄电池容量的计算和两者之间互相匹配的优化计算， 方阵最佳倾角的计算，系统运行情况的预测和系统经济效益的分析等等。硬件 设计包括：负载的选型及必要的设计，太阳电池和蓄电池的选择，组件和阵列 支架的设计，逆变器的选择和设计，以及控制、测量系统的选择和设计。在进 行软件设计的时候可以借助一些实用的光伏系统设计软件作为参考，但不应完 全依赖设计软件，应该自己做出判断。 光伏系统设计者应该在充分了解和掌握众多相关信息，并对工程进行必要 的经济分析的基础上来进行设计，在有几个可行方案的时候，应该通过工程经 济分析，对其进行优选。虬下是总结的p v 系统设计的步骤 2 0 - z 5 1 ) 对光伏系统安装地点进行详细的现场考察，获取详尽的相关资料，包括： 地理位置，气象资料，现场情况，负载情况，用户要求五个方面。 2 ) 系统的软件计算和设计 主要是斜面辐射量计算，方阵倾角计算，太阳电池组件大小和数量的计算， 蓄电池容量的计算，方阵年发电量的计算，阴影估计和间距设计等。必要 的时候还应考虑混合系统发电。 3 ) 系统硬件设计 选择组件、蓄电池、逆变器、控制器、支架设计、考虑最大功率跟踪( m p p t ) ， 测量和数据采集设备的设计等，对于大型的光伏发电系统，还要有方阵场的设 计、防雷接地的设计、配电系统的设计以及辅助备用电源的选型和设计等。 4 ) 对系统进行经济效益的分析 分析的时候应该参考工程经济分析的标准，对项目的经济效益做出合理客 观的评价，若不符合用户对经济性的要求，应该考虑改变方案。 理工学院硕士论文：光伏系统优化设计与新型太阳能电动车的研制 5 ) 系统的安装和连接 6 ) 对系统运行情况的监测、评价，优化调整 以上六方面就是系统设计的基本思路和步骤，一般情况下应该按顺序的先 后进行，当然有时候也需要具体问题具体分析。下面进行进一步的说明。 2 3 光伏系统设计详细说明 2 3 1 信息的获取 设计者为了能够更好地完成设计任务，必须在进行系统软件设计之前获得 足够多的准确的信息，应该尽量对系统安装的地点进行考察，充分了解情况： 1 1 地理位置 包括安装地点的纬度、经度、海拔高度等。 2 ) 气象资料 气象资料数据的齐全和准确与否对系统设计的成功有很大的影响“”。应该 获得的气象数据包括：逐月的太阳能总辐射量、直接辐射量、散射辐射量、反 射辐射量，年各月的平均气温、最高最低气温，最大连续阴雨天数，各月平均 风速和最大风速，以及冰雹、降雪等特殊的气象情况。这些气象数据和太阳能 资源情况与光伏系统的发电量、太阳电池组件工作温度、蓄电池自给天数、最 大放电深度和容量等设计参数密切相关，直接影响到光伏发电系统的性能和造 价，所以十分重要。气象资料一般没有办法预测，只能以过去1 0 年到2 0 年的 平均值作为依据。另外，从气象部门得到的资料，一般只有水平面的太阳辐射 量，实际使用时必须设法换算到斜面上的辐射量，换算的算法( 天空各项异性 模型) 已经相对成熟和被认同，可以自己编制程序或者借助设计软件进行换算。 气象资料可以借助当地气象部门获得，也可以参考系统设计软件里面自带 的气象数据，还可以通过权威的气象数据软件和数据库获得n ”。 有了详尽的气象数据后，必须对其进行认真的分析，找出规律，做出各种 必要的曲线图，为进一步的系统设计提供信息。 3 ) 现场情况 应该了解现场的一些情况。比如可供光伏阵列安装的占地面积( 屋顶面积) ， 理工学院硕士论文：光伏系统优化设计与新型太阳能电动车的研制 周围有没有树木或者高楼大厦等遮挡物，在未来会不会出现，如果是大型电站 的话还应该考虑当地的土质情况，离电网多远，当地的电费等等。 4 ) 负载情况“7 。”2 8 。” 对负载情况的调查可以说和获得气象资料是同样的重要。只有清楚地了解 负载的类型、功率大小、运行时间、运行规律、运行状况等，才能对负载耗电 量做出相对准确的估计。对于大的光伏系统和具有复杂负载的光伏系统更是这 样，如大型独立( s t a n d a l o n e ) 电站，家庭光伏系统等。 将负载大致分为四类，分别是恒定负载( c o n s t a n tl o a d ) 、夏季型负载、冬 季型负载、无规则负载( i r r e g u l a rl o a d ) 。 图2 - 1 冬季负载和夏季负载耗电不意图( 来源：s h e l l t r a i n i n g m a n u a l ) 在了解了负载耗电规律以后，应该做出每月的负载耗电量曲线( 如图) ，看 看属于那一类型的负载。负载的类型不同，设计思路各不相同。如上图的夏季 型负载和冬季型负载，一般来说，太阳在夏天的时候辐射强，而夏季型负载在 夏天的耗电量比较大，正好和辐照强度形成很好的匹配，所以这类负载一般需 要的组件和蓄电池容量相对少些，最佳倾角是使得夏季获得最大的太阳辐射的 倾角。冬季型负载这刚好相反，情况比较恶劣，设计时候应该加大组件和蓄电 池的容量同时加大倾角，这样初期投资( i n i t i a lc o s t ) 大大提高。一般来说这类 负载不适宜安装光伏系统，若知道这一点，用户和设计者可能考虑不使用光伏 系统。可见负载调查的重要性。对恒定负载的系统设计相对容易，而变化负载 则需要计算每个月的耗电量，光伏系统的发电量应该最大限度与之匹配，一般 借助计算机完成。 值得注意的一些问题是：还应该考虑负载的浪涌电流( s u r g ec u r r e n t ) 和浪 涌功率，很多感性负载在开关时有浪涌电流，这将影响到对逆变器的选择。还 理工学院硕士论文：光伏系统优化设计与新型太阳能电动车的研制 有就是负载的工作方式，分为正常工作和旁路工作模式，后一种模式下负载仍 然耗电，所以很有必要了解其旁路工作的时间和耗电量。还有比较容易被忽视 的问题是同一时间段内同时工作的负载数量和功率大小。 5 ) 用户要求 要充分了解用户对系统的要求和设计想法，对预算的控制等。 2 3 2 系统的软件计算和设计 在获得详细信息的基础上，就可以开始着手光伏发电系统的软件设计了， 在软件设计中始终应该遵循的原则是：在满足负载断电率( l o l p ) 的前提下， 太阳电池方阵的发电量以及蓄电池的容量应该最大限度和负载耗电量匹配。这 个重要的原则就决定了太阳电池组件大小的选择、蓄电池容量的选择、最佳倾 角的选择等等。如图所示，就是一个太阳电池组件发电量曲线和负载用电曲线 匹配的比较好的例子，在一年中的大多数月份，组件发电量都比负载用电量多 出一些，在8 月和1 2 月则略高一些，这个时候蓄电池将发挥作用。 ；9 协抽n 山川y 割 h 9 r j = g ! 引y - 3 。f l b d 灯，h y j - b ；卜_ - l上l 上 f 卜卜卜卜f 争 丌t 蚓 t丫t j a nf e bm a ra p rm a yj u nj u la u g s e po c tn o vd e c m o r = t h n o r m a l i z e dl o a dh o r i z o n a li n s o la r r a y i n s o l 图2 2 光伏组件发电曲线和负载用电曲线的匹配 阴影间距的设计也是十分重要的，因为组件发电量的损失并不是和它被遮 挡的面积成正比的，只要被遮挡很小的一部分面积，其性能就有很大的影响。 要确保在1 2 月2 3 日这天的上午9 点到下午3 点这段时间内，光伏阵列的组件 不被其他物体的阴影遮挡，同时也不被前面一排的组件遮挡。这样的间距可以 通过公式或者设计软件计算出来。 zo_j坠盯。厶i_b口 o 8 6 4 2 o 8 6 4 2 0加他啦加帅柚们 c呙呈c兰co一苛百望一 理工学院硕士论文：光伏系统优化设计与新型太阳能电动车的研制 在设计的时候，在考虑了初期投资成本( i n i t i a lc o s t ) 、负载的工作情况、 当地地点状况等因素的前提下，可以考虑使用混合发电系统( 如风光互补、光 伏柴油机等) 。光伏柴油机互补系统有其自身的优点，首先可以减少初期投资 成本，当然其运行和维修成本比较大，但按工程经济学的理论分析，在寿命周 期内的成本还是和规模相似的光伏独立系统的成本小。其次，对于无规则负载 状况，其每月的发电量变化比较大，而且规律性不强，这样使用独立光伏系统 的话则很难保证负载断电率和经济性的要求3 ”。这种情况下使用一定比例的 光伏系统，额外的电可以由柴油发电机提供，这样既可以充分利用太阳能，也 可以保证负载的断电率，是一个不错的选择。其缺点是控制系统相对复杂，建 设初期的工程量比独立光伏系统大，维护量大，有一些污染和噪声。但很多情 况下，都可以考虑混合系统的选用。 2 3 3 光伏系统的硬件设计 硬件设计包括的内容很多，主要是各种器件的选择和保护方面，对大型系 统还涉及方阵场的设计和输配电的设计等 3 3 a 硬件设计应该在软件设计之后， 以详细的相关信息和之前的软件设计为基础进行选择，既要考虑满足性能的要 求，又要有比较好的经济性。具体有以下的内容：组件蓄电池的选择、二极管 的选择、电缆( w i r i n g ) 设计、支架的设计、控制器、逆变器的选择、考虑安装 最大功率跟踪、测量和数据采集设备、防雷接地保护、方阵场设计、备用电源 的选择、输配电系统设计等。具体的内容很多，但都应该遵循前面提到的原则， 就不在这里一一说明，只说几点。一般来说蓄电池不适宜并联，这样其性能会 有一定的损失，在设计的时候，最好并联数目不要超过4 组。支架的类型对组 件的工作温度有影响，不能忽视。控制器选择或者设计的时候应该考虑对蓄电 池进行温度补偿，最好采用脉宽调制( p w m ) 设计。监测系统应该有较好的性 能，采集的数据应该齐全准确，一些处于偏远地点的系统应该有遥控遥测。电 缆的大小选择也需要谨慎，否则容易造成事故。 2 4 光伏建筑一体化系统和工程的设计。” 理工学院硕士论文：光伏系统优化设计与新型太阳能电动车的研制 光伏发电与建筑物相结合的概念早在9 0 年代初就已经被提出，这标志着太 阳能发电开始步入大规模应用的阶段。其中光伏阵列和屋顶的结合是最为常见 的。光伏与建筑物( 屋顶) 的结合在国外又被细分成与屋顶集成 ( b u i l d i n g i n t e g r a t e dp h o t o v o l t a i c ，b i p v ) 和与屋顶附着( b u i l d i n g a t t a c h e d p h o t o v o l t a i c ，b a p v ) 的设计。 光伏阵列在建筑物上的安装对光伏应用系统的生命周期和造价都有非常大 的鼢向。它可以占系统总成本的1 0 到4 0 。过去，大多数屋顶光伏系统的安 装都按照传统的千篇一律的模式进行。而现在，越来越多的工程师都根据屋顶 的不同、安装材料的不同、选用的组件的不同等进行特殊的优化设计。这样就 有效地减少了材料、劳动力等成本。像把特殊的光伏组件用作传统的建筑材料 的一部分，比如说屋顶盖、瓦、窗户或者其他的房屋组成部分，这样的设计就 具有很大的潜力。 系统的设计者和安装者在选择最佳的安装策略的时候需要考虑很多的问 题。而b i p v 和b a p v 又有所不同。b i p v ( 见图2 3 ) 设计是将光伏阵列作为 建筑结构的功能部分，包括用光伏组件取代传统的屋顶材料，像屋顶板、瓦、 石板瓦、金属屋顶、窗户、遮雨棚等等。b a p v ( 见图2 4 ) 的设计则是在完 整的建筑物上增加光伏阵列。 图2 3 b i p v 实例 图2 4 b a p v 实例 国外光伏建筑一体化工程设计中涉及的问题 3 5 - - 4 0 1 在屋顶上设计和安装光伏阵列应该考虑许多方面的因素，下面归纳的准则 有助于光伏系统的安装者和设计者选择最佳的方案。 组件的物理和电学性能 理工学院硕士论文：光伏系统优化设计与新型太阳能电动车的研制 阵列的热性能和电性能 阵列的朝向、位置和所在地点的状况 屋顶的结构 房屋的热性能 电连接 安装和维护 材料以及环境的相容性 建筑的和美学的结合 经济分析和成本 针对以上情况逐一说明如下： ( 1 ) 物理和电学特性 在进行阵列的机械设计的时候首先需要考虑的因素之一就是所使用的组件 的特性。需要考虑的物理特性包括组件的面积大小、功率、层压成分、边框类 型、可以承受的最大机械荷载等。面积和容量相对小的组件增加了组件相互之 间的连接。现在，市场上的商用p v 组件比以前都要大( 据报道最大的超过 5 0 0 w p ) ，在大小和输出功率上的增加减少了安装的成本、时间和劳动力。由于 一直在增加的太阳电池片面积，在一定面积大小的晶体硅太阳电池组件上有电 压的上限值。增加组件电压的有效方法是将薄膜或者其他的一些高级材料通过 在每个组件上用激光刻蚀制作出很多的电池。当然，这些材料的低效率使在产 生相同功率的情况下比晶体硅太阳电池阵列需要更大的面积。 ( 2 ) 热和电性能 温度对晶体硅电池组件和阵列的电学性能以及寿命的影响已经为大家所 知。然而却不多人知道这同样对新的薄膜光伏组件产生影响，特别是组件暴露 在室外几年以后。在材料的性能衰退下，光伏阵列的有效寿命在高的使用温度 下会减少，但程度和组件的类型却往往不得而知。可以获得的数据并不能准确 地说明这个问题。然而很多厂商提出的光伏组件2 0 年以上的质量保证似乎说明 他们在这个问题上比较乐观。 大多数光伏阵列的电学性能同样很受温度的影响。总的来说，晶体硅光伏 1 4 理工学院硕士论文：光伏系统优化设计与新型太阳能电动车的研制 阵列的功率输出温度系数是在2 5 。的基础上每升高一度输出功率降低0 5 。薄 膜和一些其他材料的电池的温度系数可能会小些。为了提高光伏阵列的电学性 能和寿命，建议尽可能减小阵列温度。 b i p v 阵列的最大问题就是温度，在一些情况下( 如屋顶系统) 的性能记录 对晶体硅来说并不好。对这些产品来说温度上升系数高达5 0 0 c k w m 。对于有 支架的设计其运行的温度就低很多，温度上升系数通常在1 5 3 0o c k w m - 2 ，这 很大程度取决于支架的高度、阵列的倾斜度以及阵列下部的开敞程度。最近有 资料表明，当支架的高度从6 英寸下降到3 英寸( 从屋顶的表面到组件的上部) 的话，温度上升系数将升高5 0 。 ( 3 ) 朝向，位置和地点状况 地点的特殊状况最终限定了在建筑物上安装光伏阵列的种种问题。阴影影 响到整个系统的性能，所以受到人们的最大关注。只要阵列上某一小部分面积 被阴影遮挡，其输出性能就会受到很大的影响。几个外在和不可控制的因素可 以导致阴影的产生，包括树木、临近的建筑物、柱子、塔这类建筑。阵列和阵 列之间也可能相互影响而产生阴影，一般在每天的上午9 点到下午3 点这段时 间内是不允许有阴影的，因为这是太阳辐照强度比较大的时候，设计的时候应 该注意这点。此外，树木的不断生长和附近新的建筑物的出现也是应当考虑的 因素。 光伏阵列的倾角和方位角对性能有很重要的影响，最佳的角度设置主要取 决于当地的纬度、斜面上的辐照强度和负载的用电需求。但是，在大多数情况 下，朝向和屋顶的倾斜度限制了这样的选择。在美国的大多数地方，朝向正南 的光伏阵列在纬度1 5 0 的范围内斜面上的年太阳辐照强度的差别很小。当然在 特定的季节接收的辐照总量会有所不同，比如说低倾斜度的表面在夏季得到更 多的辐照强度而高倾斜度的表面在冬季得到更多的辐照强度。而向东和向西的 阵列没有向南的阵列产生的能量多。 ( 4 ) 屋顶结构问题 光伏阵列在屋顶上安装的其中一个重要问题是屋顶的结构、组件的结构以 及它们之间的连接件。屋顶上的光伏组件可能遇到集中类型的载荷。组件和安 理工学院硕士论文：光伏系统优化设计与新型太阳能电动车的研制 装系统的设计必须符合适用的建筑准则和标准。主要的载荷类型包括死载荷和 活载荷。由于阵列的重量和支架，死载荷是静止的。死载荷一般比较小，大约 在5 一l o l b s f t2 。 ( 5 ) 房屋的热性能 安装在屋顶的光伏阵列能够对房屋的加热和冷却产生积极和消极的影响， 但这在阵列的机械设计中常常被忽略。直接接触的阵列常常对增加屋顶表面和 空间的热交换有重要的影响，在比较冷的季节是优势，但在比较暖和的季节是 劣势。好的通风条件和比较宽敞的屋顶可以调节屋顶从这样的